СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАМЕДЛИТЕЛЯ СХВАТЫВАНИЯ МЕДЛЕННОГО ВЫСВОБОЖДЕНИЯ ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИНЫ Российский патент 2022 года по МПК C09K8/467 C04B22/06 C04B24/06 C04B103/22 B82B1/00 B82B3/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области цементирования скважины для разведки и разработки нефтегазовых месторождений, и, в частности, оно относится к способу получения замедлителя схватывания тампонажного цемента медленного высвобождения.

Уровень техники

В нефтегазовой отрасли цементирование скважины представляет собой завершающую операцию работ по бурению скважины и в то же время также является первой операцией работ по заканчиванию скважины, а также ключевым аспектом строительных работ, связывающим бурение скважины и нефтедобычу, поэтому хорошее или плохое качество цементирования скважины непосредственно влияет на качество всякой последующей работы. По мере изменения запасов нефти и газа технологии разведки и разработки нефтегазовых месторождений развиваются в направлениях, относящихся к глубоким скважинам, сверхглубоким скважинам и сложным скважинам; при заливке цементом участков скважины разница температур и перепад давления в верхних и нижних пластах постепенно увеличиваются, поэтому для обеспечения безопасности строительства и качества цементирования скважины в цементный раствор обычно добавляют замедлитель схватывания, чтобы увеличивалось время застывания цементного раствора, и в ходе всего процесса закачивания предотвращалось быстрое застывание и затвердевание цементного раствора, чтобы таким образом регулировать время возможного закачивания цементного раствора.

Замедлитель схватывания в качестве одной из основных добавок, часто применяемых для тампонажного цементного раствора, играет важную роль в увеличении времени застывания цементного раствора. Сегодня в Китае и за рубежом часто применяемые замедлители схватывания представляют собой соли лигнина и серы, соединения сахаридов, оксикарбоновые кислоты и их соли. Замедлитель схватывания от индукционного периода реакции гидратации цемента до периода ускорения все время препятствует образованию центров кристаллизации Са(ОН)₂, выделяющегося в жидкой фазе, и подавляет гидратацию цемента. Замедлители схватывания на основе оксикарбоновых кислот в основном содержат глюконовую кислоту, глюкогептоновую кислоту, лимонную кислоту, винную кислоту и т.п., а также их соли. С такими замедлителями схватывания обычно связаны такие проблемы, как возможная плохая термостойкость, ненадлежащая коагуляция, посредственные комплексные характеристики цементного раствора и др.

Гидроталькиты (LDH) представляют собой новые пластинчатые неорганические материалы, которые состоят в основном из положительно заряженных слоев основной части и анионов между слоями. Поскольку в LDH соединение анионов, расположенных между слоями, посредством водородных связей со слоями является относительно слабым, то они легко замещаются другими анионами, у которых электростатическое взаимодействие с основными слоями относительно больше, поэтому LDH обладают ионообменными свойствами. За счет новых посторонних анионов, внедренных между слоями с помощью ионного обмена, могут быть получены материалы на основе гидроталькита с включениями, имеющие особые функции, которые сегодня широко применяются в основном в лекарственных веществах, для адсорбции, катализа, обеспечения огнеупорности и в других аспектах и на которые были выданы соответствующие патенты. Кроме того, в отношении полианионных добавок также возможен обмен с неорганическими анионами в предшественнике для их включения тем самым между слоями гидроталькита с получением супрамолекулярного композитного материала, обладающего лучшими свойствами. Кроме того, в последние годы очень большое внимание также стали уделять эффекту медленного высвобождения у материалов на основе LDH. Го Цзинь из Тяньцзиньского университета однажды ввел анионный реагент для регулирования фильтрации и водоотдачи между слоями гидроталькита и получил реагент для регулирования фильтрации и водоотдачи медленного высвобождения; такой новый композитный материал эффективно повышает степень фильтрации, сохранения текучести и прочности на сжатие цементного раствора, перемешанного с морской водой (Lei Cao, Jin tang Guo, Jianhua Tian, Yang Xu, Miaomiao Hu, Chun Guo, Meiyu Wang, Jinjie Fan. Synthesis, characterization and working mechanism of a novel sustained-release-type fluid loss additive for seawater cement slurry [J]. Journal of Colloid And Interface Science, 2018, 524).

Согласно настоящему изобретению путем включения глюконовой кислоты между слоями гидроталькита получают материал с супрамолекулярной структурой на наноуровне, чем не только преодолеваются такие недостатки, как возможная плохая термостойкость, характерная для замедлителей схватывания на основе карбоновых кислот, посредственные комплексные характеристики цементного раствора и др., но и можно обеспечить высвобождение при разных температурах

разного количества составляющих замедлителя схватывания и тем самым получить лучший эффект замедления.

Суть изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в предоставлении способа получения замедлителя схватывания медленного высвобождения для цементирования скважины, в котором путем включения глюконовой кислоты между слоями гидроталькита получают замедлитель схватывания медленного высвобождения, который характеризуется такими преимуществами, как теплостойкость, возможность регулирования времени застывания и т.п., и может заметно повышать теплостойкость замедлителя схватывания, поэтому подходит для крупномасштабного промышленного производства и имеет большие перспективы коммерческого применения.

Для решения вышеуказанной технической задачи в настоящем изобретении используется следующее техническое решение.

Согласно настоящему изобретению с применением глюконовой кислоты и предшественника гидроталькита получают замедлитель схватывания медленного высвобождения, химической формулой которого является Mg₃Al-Gluconic-LDH, при этом однокапельным методом и ионообменным методом в методе совместного осаждения осуществляют синтез; в отношении глюконовой кислоты и вещества между слоями предшественника гидроталькита (MgAl-CO₃-LDH) осуществляют ионный обмен с завершением приготовления.

Способ получения замедлителя схватывания медленного высвобождения для цементирования скважины, включающий следующие последовательные этапы, на которых:

(1) отвешивают 1-5 частей NH₃⋅H₂O и 1-3 части безводного Na₂CO₃ и добавляют в 100-400 мл деионизированной воды; при комнатной температуре перемешивают с получением раствора А; затем отвешивают 3-9 частей Mg(NO₃)₂⋅6H₂O и 1-3 части Al(NO₃)₃⋅9H₂O и добавляют 100-400 мл деионизированной воды; в условиях комнатной температуры перемешивают с получением раствора В; раствор В быстро добавляют в раствор А; при 70-90°С обеспечивают протекание реакции в течение 7-9 ч; с помощью вакуумного насоса фильтруют и промывают три раза до получения нейтрального показателя рН; затем с помощью лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергают лиофилизации в течение 48 ч и получают предшественник гидроталькита магния и алюминия;

(2) отвешивают 1-3 части предшественника гидроталькита магния и алюминия и растворяют в 100-300 мл этиленгликоля; в условиях комнатной температуры смешивают и получают раствор С; затем отвешивают 1-12 частей глюконовой кислоты и добавляют в раствор С; при перемешивании регулируют рН раствора до 4-5 и получают раствор D;

(3) раствор D выливают в трехгорлую колбу; при температуре от 120°С до 150°С подвергают реакции ионного обмена в течение 2-5 часов, после охлаждения с помощью вакуумного насоса три раза фильтруют и промывают до получения нейтрального показателя рН; затем с помощью лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергают лиофилизации в течение 48 ч и получают замедлитель схватывания тампонажного цемента медленного высвобождения.

Указанные вещества берут в весовых частях.

Указанный замедлитель схватывания медленного высвобождения предназначен для применения в строительных работах по цементированию скважины с помощью цементного раствора, который представляет собой замедлитель схватывания, способный к высвобождению в разном количестве при разных температурах с эффективным повышением эффективности действия замедлителя схватывания.

Согласно настоящему изобретению с применением гидроталькита магния и алюминия типа СО₃^2- в качестве предшественника и ионообменного метода получают гидроталькит с включениями глюконовой кислоты, обладающий супрамолекулярной структурой; при этом в слоях основной части гидроталькита присутствует взаимодействие в виде ковалентных связей, при этом благодаря ионной связи, водородной связи и прочим взаимодействиям происходит связывание ионов радикала глюконовой кислоты, расположенных между слоями, со слоями основной части, и такая структура позволяет ему стать композитным материалом, обладающим супрамолекулярной структурой.

Расстояние между слоями в полученном согласно настоящему изобретению гидротальките до включения глюконовой кислоты составляет 1,25 нм; высота между слоями после включения глюконовой кислоты в гидроталькит составляет 0,83 нм; за счет обмена с анионами в материале цемента высвобождаются ионы радикала глюконовой кислоты и обеспечивается замедление.

После включения глюконовой кислоты процесс термического разложения замедлителя схватывания происходит в основном в три этапа, при этом на первом этапе он проходит при приблизительно 110°С и в целом заключается в удалении молекул воды между слоями и адсорбционной воды на поверхности; при 265°С он в целом заключается в удалении связанной воды между слоями гидроталькита и в глюконовой кислоте; при приблизительно 400°С он в целом основан на разложении радикалов глюконовой кислоты, включенной между слоями гидроталькита. Кроме того, температура термического разложения самой глюконовой кислоты составляет приблизительно 280°С, поэтому при включении глюконовой кислоты между слоями гидроталькита в отношении ее теплостойкости происходит определенное повышение.

Посредством сборки с включением с помощью настоящего изобретения может заметно повышать теплостойкость самого замедлителя схватывания, в результате чего он характеризуется определенными свойствами при высокой температуре. Кроме того, в условиях разных температур его высвобождаемое количество является разным, при этом по мере повышения температуры его высвобождаемое количество увеличивается, и поэтому он может характеризоваться лучшим эффектом замедления.

По сравнению с аналогами, известными из предшествующего уровня техники, настоящее изобретение характеризуется следующими полезными эффектами:

(1) представленный замедлитель схватывания обладает эффектом медленного высвобождения, при этом диапазон температурной адаптации является большим и обеспечена возможность регулирования времени застывания, поэтому он может эффективно увеличивать время застывания цемента;

(2) в способе высушивания полученного согласно настоящему изобретению замедлителя схватывания во всех случаях используют лиофилизацию, в которой при низкой температуре и низком давлении его замораживают и полностью удаляют воду, поэтому можно максимально сохранить структуру его организации, и при этом отсутствует затвердевание на поверхности и агломерация; при этом после высушивания диспергируемость материала лучше;

(3) представленный замедлитель схватывания обладает супрамолекулярной структурой, и при разных температурах замедлитель схватывания может высвобождаться в разном количестве, при этом его эффект медленного высвобождения обеспечивает ему еще лучшие сферы применения и эффективно повышает эффективность действия замедлителя схватывания;

(4) сырье для синтеза характеризуется широкой доступностью и низкой стоимостью, этапы способа синтеза являются простыми, а выход является высоким, делает изобретение подходящим для применения в крупномасштабном промышленном производстве.

Конкретные способы осуществления

Чтобы настоящее изобретение было легче понять специалистам в данной области техники, настоящее изобретение дополнительно описано ниже с помощью примеров осуществления. Тем не менее следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается объемом конкретных способов осуществления, и различные изменения входят в объем защиты настоящего изобретения, если они находятся в пределах сущности и объема технических решений согласно настоящему изобретению, определенных на основании прилагаемой формулы изобретения.

1. Получение замедлителя схватывания тампонажного цемента медленного высвобождения (нижеприведенные вещества взяты в весовых частях)

Пример осуществления 1

Сначала отвешивали 2 части NH₃⋅H₂O и 1 часть безводного Na₂CO₃ и добавляли в 100 мл деионизированной воды; в условиях комнатной температуры перемешивали с получением раствора А; затем отвешивали 3 части Mg(NO₃)₂⋅6H₂O и 1 часть Al(NO₃)₃⋅9H₂O и добавляли в 100 мл деионизированной воды; в условиях комнатной температуры перемешивали с получением раствора В; раствор В быстро добавляли в раствор А; при 70°С обеспечивали протекание реакции в течение 9 часов; с помощью вакуумного насоса фильтровали и промывали три раза, до получения нейтрального показателя рН; затем с помощью лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергали лиофилизации в течение 48 ч и получали предшественник гидроталькита магния и алюминия.

Отвешивали 1 часть предшественника гидроталькита магния и алюминия и растворяли в 100 мл этиленгликоля; в условиях комнатной температуры смешивали и получали раствор С, затем отвешивали 4 части глюконовой кислоты и добавляли в раствор С; при перемешивании добавляли модификатор рН и после регулирования рН раствора до 4,5 получали раствор D.

Раствор D выливали в трехгорлую колбу; при 120°С подвергали реакции ионного обмена в течение 5 часов; после охлаждения с помощью вакуумного насоса его фильтровали и промывали три раза до получения нейтрального показателя рН; затем с помощью лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергали лиофилизации в течение 48 ч и получали замедлитель схватывания на основе гидроталькита с включениями глюконовой кислоты.

Пример осуществления 2

Сначала отвешивали 3 части NH₃⋅H₂O и 1,5 части безводного Na₂CO и добавляли в 200 мл деионизированной воды; перемешивали в условиях комнатной температуры и получали раствор А; затем отвешивали 6 частей Mg(NO₃)₂ 6H₂O и 2 части Al(NO₃)₃⋅9H₂O и добавляли в 200 мл деионизированной воды; в условиях комнатной температуры перемешивали с получением раствора В; раствор В быстро добавляли в раствор А; при 80°С обеспечивали протекание реакции в течение 8 часов; с помощью вакуумного насоса фильтровали и промывали три раза до получения нейтрального показателя рН; затем с помощью лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергали лиофилизации в течение 48 ч и получали предшественник гидроталькита магния и алюминия.

Отвешивали 2 части предшественника гидроталькита магния и алюминия и растворяли в 200 мл этиленгликоля; в условиях комнатной температуры смешивали и получали раствор С, затем отвешивали 8 частей глюконовой кислоты и добавляли в раствор С; при перемешивании добавляли модификатор рН и после регулирования рН раствора до 4,5 получали раствор D.

Раствор D выливали в трехгорлую колбу; при 130°С подвергали реакции ионного обмена в течение 4 часов; после охлаждения посредством вакуумного насоса его фильтровали и промывали три раза, пока показатель рН не становился нейтральным; затем с помощью лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергали лиофилизации в течение 48 ч и получали замедлитель схватывания на основе гидроталькита с включениями глюконовой кислоты.

Вариант осуществления 3

Сначала отвешивали 4 части NH₃⋅H₂O и 2 части безводного Na₂CO₃ и добавляли в 300 мл деионизированной воды; в условиях комнатной температуры перемешивали с получением раствора А; затем отвешивали 7,5 частей Mg(NO₃)₂⋅6H₂O и 2,5 части Al(NO₃)₃⋅9H₂O и добавляли в 300 мл деионизированной воды; в условиях комнатной температуры перемешивали с получением раствора В; раствор В быстро добавляли в раствор А; при 85°С обеспечивали протекание реакции в течение 7,5 часа; с помощью вакуумного насоса фильтровали и промывали три раза до получения нейтрального показателя рН; затем с помощью лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергали лиофилизации в течение 48 ч и получали предшественник гидроталькита магния и алюминия.

Отвешивали 2,5 части предшественника гидроталькита магния и алюминия и растворяли в 250 мл этиленгликоля; в условиях комнатной температуры смешивали и получали раствор С, затем отвешивали 9 частей глюконовой кислоты и добавляли в раствор С; при перемешивании добавляли модификатор рН и после регулирования рН раствора до 4,5 получали раствор D.

Раствор D выливали в трехгорлую колбу; при 140°С подвергали реакции ионного обмена в течение 3 часов; после охлаждения с помощью вакуумного насоса его фильтровали и промывали три раза до получения нейтрального показателя рН; затем посредством лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергали лиофилизации в течение 48 ч и получали замедлитель схватывания на основе гидроталькита с включениями глюконовой кислоты.

Вариант осуществления 4

Сначала отвешивали 5 частей NH₃⋅H₂O и 2,5 части безводного Na₂CO₃ и добавляли в 400 мл деионизированной воды; в условиях комнатной температуры перемешивали с получением раствора А; затем отвешивали 9 частей Mg(NO₃)₂⋅6H₂O и 3 части Al(NO₃)₃⋅9Н₂O и добавляли в 400 мл деионизированной воды; в условиях комнатной температуры перемешивали с получением раствора В; раствор В быстро добавляли в раствор А; при 90°С обеспечивали протекание реакции в течение 7 часов; с помощью вакуумного насоса фильтровали и промывали три раза до получения нейтрального показателя рН; затем с помощью лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергали лиофилизации в течение 48 ч и получали предшественник гидроталькита магния и алюминия.

Отвешивали 3 части предшественника гидроталькита магния и алюминия и растворяли в 300 мл этиленгликоля; в условиях комнатной температуры смешивали и получали раствор С, затем отвешивали 12 частей глюконовой кислоты и добавляли в раствор С; при перемешивании добавляли модификатор рН и после регулирования рН раствора до 4,5 получали раствор D.

Раствор D выливали в трехгорлую колбу; при 150°С подвергали реакции ионного обмена в течение 2 часов; после охлаждения посредством вакуумного насоса его фильтровали и промывали три раза, пока показатель рН не становился нейтральным; затем посредством лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергали лиофилизации в течение 48 ч и получали замедлитель схватывания на основе гидроталькита с включениями глюконовой кислоты.

2. Испытания касательно свойства замедления для замедлителя схватывания тампонажного цемента медленного высвобождения

Полученный согласно примеру осуществления 1 замедлитель схватывания добавляли в состав цементного раствора (см. таблицу 1); в условиях застывания при температуре 140°С и давлении 70 МПа проводили эксперимент, чтобы проверить свойства замедления у данного замедлителя схватывания.

Из таблицы 2 и таблицы 3 можно понять, что полученный согласно настоящему изобретению замедлитель схватывания в условиях высокой температуры обладает хорошим эффектом замедления, и в диапазоне 120-180°С можно регулировать время застывания цементного раствора, чтобы могло быть обеспечено соответствие требованиям касательно работ по цементированию глубоких скважин. Кроме того, в условиях одинаковой температуры время застывания цементного раствора по мере увеличения добавляемого количества замедлителя схватывания увеличивается, и в отношении времени застывания в целом просматривается линейная зависимость; кроме того, из кривой застывания можно понять, что в условиях высокой температуры и высокого давления после добавления полученного согласно настоящему изобретению замедлителя схватывания совсем не возникает ненормальных ситуаций, таких как вздутия и т.п.; густота цементного раствора также поддерживается в сравнительно стабильных пределах, что говорит о его лучшей термической стойкости.

3. Испытания касательно прочностных свойств замедлителя схватывания тампонажного цемента медленного высвобождения

Полученный согласно примеру осуществления 1 замедлитель схватывания и часто применяемый высокотемпературный замедлитель схватывания GH-9 добавляли в состав цементного раствора (см. таблицу 1) и после предварительного приготовления в условиях высокой температуры и высокого давления, при температуре 140°С и давлении 70 МПа, помещали в водяную баню с температурой 90°С для затвердевания; для каждого проводили проверку в отношении прочности на 1-й, 2-й и 3-й день.

Из таблицы 4 можно понять, что полученный согласно настоящему изобретению замедлитель схватывания как способен эффективно оптимизировать время застывания цемента в условиях высокой температуры, так и совсем не влияет на нарастание прочности цементного камня после высокотемпературного затвердевания, при этом в течение 24 ч. прочность может достигать 13,25 МПа, что говорит о том, что этот замедлитель схватывания может эффективно решить проблему медленного нарастания прочности верхнего цементного камня, встречающуюся в случае часто применяемого высокотемпературного замедлителя схватывания, например GH-9 и т.п., и удовлетворять требованиям к цементированию скважины в условиях большой разницы температур.

Изобретение относится к способу получения замедлителя схватывания тампонажного цемента медленного высвобождения. Технический результат - возможность регулирования времени застывания, повышение теплостойкости замедлителя схватывания. На первом этапе способа отвешивают 1-5 частей NH₃⋅H₂O и 1-3 части безводного Na₂CO₃ и добавляют в 100-400 мл деионизированной воды; в условиях комнатной температуры перемешивают с получением раствора А; затем отвешивают 3-9 частей Mg(NO₃)₂⋅6H₂O и 1-3 части Al(NO₃)₃⋅9H₂O и добавляют в 100-400 мл деионизированной воды; в условиях комнатной температуры перемешивают с получением раствора В; после добавления раствора В в раствор А обеспечивают протекание реакции при 70-90°С в течение 7-9 ч; с помощью вакуумного насоса фильтруют и промывают три раза до получения нейтрального показателя рН; затем с помощью лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергают лиофилизации в течение 48 ч и получают предшественник гидроталькита магния и алюминия. На втором этапе отвешивают 1-3 части предшественника гидроталькита магния и алюминия и растворяют в 100-300 мл этиленгликоля; в условиях комнатной температуры смешивают и получают раствор С; затем отвешивают 1-12 частей глюконовой кислоты и добавляют в раствор С; при перемешивании регулируют рН раствора до 4-5 и получают раствор D. На третьем этапе раствор D выливают в трехгорлую колбу; при температуре от 120 до 150°С подвергают реакции ионного обмена в течение 2-5 ч, после охлаждения с помощью вакуумного насоса три раза фильтруют и промывают до получения нейтрального показателя рН; затем с помощью лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергают лиофилизации в течение 48 ч и получают замедлитель схватывания тампонажного цемента медленного высвобождения; при этом полученный замедлитель схватывания тампонажного цемента медленного высвобождения представляет собой гидроталькит с включениями глюконовой кислоты, обладающий супрамолекулярной структурой, и при этом расстояние между слоями в гидротальките с включениями глюконовой кислоты составляет 1,25 нм, а высота между слоями после включения глюконовой кислоты в гидроталькит составляет 0,83 нм. При этом указанные вещества берут в весовых частях. 4 табл., 4 пр.

Способ получения замедлителя схватывания медленного высвобождения для цементирования скважины, включающий следующие последовательные этапы, на которых:

(1) отвешивают 1-5 частей NH₃⋅H₂O и 1-3 части безводного Na₂CO₃ и добавляют в 100-400 мл деионизированной воды; в условиях комнатной температуры перемешивают с получением раствора А; затем отвешивают 3-9 частей Mg(NO₃)₂⋅6H₂O и 1-3 части Al(NO₃)₃⋅9H₂O и добавляют в 100-400 мл деионизированной воды; в условиях комнатной температуры перемешивают с получением раствора В; после добавления раствора В в раствор А обеспечивают протекание реакции при 70-90°С в течение 7-9 ч; с помощью вакуумного насоса фильтруют и промывают три раза до получения нейтрального показателя рН; затем с помощью лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергают лиофилизации в течение 48 ч и получают предшественник гидроталькита магния и алюминия;

(2) отвешивают 1-3 части предшественника гидроталькита магния и алюминия и растворяют в 100-300 мл этиленгликоля; в условиях комнатной температуры смешивают и получают раствор С; затем отвешивают 1-12 частей глюконовой кислоты и добавляют в раствор С; при перемешивании регулируют рН раствора до 4-5 и получают раствор D;

(3) раствор D выливают в трехгорлую колбу; при температуре от 120 до 150°С подвергают реакции ионного обмена в течение 2-5 ч, после охлаждения с помощью вакуумного насоса три раза фильтруют и промывают до получения нейтрального показателя рН; затем с помощью лиофильной сушилки при 50°С ниже нуля подвергают лиофилизации в течение 48 ч и получают замедлитель схватывания тампонажного цемента медленного высвобождения; при этом полученный замедлитель схватывания тампонажного цемента медленного высвобождения представляет собой гидроталькит с включениями глюконовой кислоты, обладающий супрамолекулярной структурой, и при этом расстояние между слоями в гидротальките с включениями глюконовой кислоты составляет 1,25 нм, а высота между слоями после включения глюконовой кислоты в гидроталькит составляет 0,83 нм;

при этом указанные вещества берут в весовых частях.